La simulación por computador en investigación y desarrollo
La simulación por computador en investigación y desarrollo
La simulación por computador en investigación y desarrollo
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
e-creaciones<br />
<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong><br />
<strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />
Computer simulation in research and developm<strong>en</strong>t<br />
JULIO ENRIQUE DUARTE<br />
Lic<strong>en</strong>ciado <strong>en</strong> Física y Magíster <strong>en</strong> Física, Universidad Industrial de Santander. Doctor<br />
<strong>en</strong> Física, Universidad de Barcelona, doc<strong>en</strong>te Universidad Pedagógica y Tecnológica de<br />
Colombia Titular, Sede Duitama, Grupo de Energía y Aplicación de Nuevas Tecnologías<br />
(GEANT).<br />
julio<strong>en</strong>riqueduarte@latinmail.com<br />
FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />
Ing<strong>en</strong>iero Electrónico, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Doctor <strong>en</strong><br />
Ing<strong>en</strong>iería Electrónica, Universidad de Barcelona. Doc<strong>en</strong>te Universidad Pedagógica<br />
y Tecnológica de Colombia, Sede Duitama, categoría Asociado. Investigador Grupo<br />
de Energía y Aplicación de Nuevas Tecnologías (GEANT).<br />
flaviofm@telecom.com.co<br />
Clasificación del artículo: reflexión<br />
echa de recepción: diciembre13 de 2005 echa de aceptación: junio 27 de 2005<br />
Palabras clave: método de los elem<strong>en</strong>tos finitos, modelado, <strong>simulación</strong>.<br />
Key words: finite elem<strong>en</strong>t method, modeling, simulation.<br />
R ESUMEN<br />
En el pres<strong>en</strong>te trabajo se ilustra la im<strong>por</strong>tancia de<br />
la <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong>, <strong>en</strong> especial del<br />
método de los elem<strong>en</strong>tos finitos (MEF) como una<br />
alternativa de interés para la <strong>investigación</strong> <strong>en</strong> áreas<br />
como electricidad, mecánica, electrónica, biología<br />
y medicina, <strong>en</strong>tre otras. Por su versatilidad, esta<br />
clase de herrami<strong>en</strong>tas es fundam<strong>en</strong>tal <strong>en</strong> la<br />
<strong>investigación</strong> de diversos f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos, <strong>en</strong> el<br />
<strong>desarrollo</strong> de procesos productivos y <strong>en</strong> el estudio<br />
de dispositivos, modelos y sistemas, ya que permit<strong>en</strong><br />
g<strong>en</strong>erar conocimi<strong>en</strong>to de punta <strong>en</strong> forma efici<strong>en</strong>te<br />
y a costos reducidos. Por tratarse de herrami<strong>en</strong>tas<br />
'transversales', esto es, que pued<strong>en</strong> ser utilizadas<br />
<strong>por</strong> diversas disciplinas, los programas de <strong>simulación</strong><br />
adquier<strong>en</strong> una <strong>en</strong>orme im<strong>por</strong>tancia y deb<strong>en</strong> t<strong>en</strong>erse<br />
<strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta a la hora de plantear currículos<br />
actualizados y con un gran cont<strong>en</strong>ido investigativo<br />
que facilit<strong>en</strong> al egresado su ejercicio profesional.<br />
A BSTRACT<br />
This paper shows the im<strong>por</strong>tance of computer<br />
simulation; specially it permit to acquire knowledge<br />
of the Method of Finite Elem<strong>en</strong>ts (FEM) like<br />
interesting alternative for researching in areas such<br />
as electricity, mechanics, electronics, biology and<br />
medicine, among others. Giv<strong>en</strong> its versatility, this<br />
106 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005
e-creaciones<br />
type of tools is fundam<strong>en</strong>tal for researching diverse<br />
physical ph<strong>en</strong>om<strong>en</strong>a, developm<strong>en</strong>t of productive<br />
processes and study of devices, models and systems;<br />
they allow g<strong>en</strong>erating knowledge in effici<strong>en</strong>t form<br />
and reduced costs. Like transversal tools, that is to<br />
say that can be used by diverse disciplines, simulation<br />
programs acquire an <strong>en</strong>ormous im<strong>por</strong>tance and are<br />
considered at the time of raising updated curricula<br />
and with a great investigative cont<strong>en</strong>t; they facilitate<br />
to withdraw its professional exercise.<br />
******<br />
1. Introducción<br />
En forma g<strong>en</strong>eral, la <strong>simulación</strong> puede <strong>en</strong>t<strong>en</strong>derse<br />
como la utilización del <strong>computador</strong> para la<br />
reproducción aproximada y el estudio de un<br />
f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o (físico, químico, biológico, económico,<br />
sicológico, sociológico, etc.) (Wachutka, 1994). Su<br />
principal objetivo es obt<strong>en</strong>er mayor información y<br />
<strong>en</strong>t<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to acerca de la respuesta y evolución<br />
de un sistema físico bajo ciertas condiciones<br />
impuestas: cargas, condiciones de contorno y<br />
condiciones iniciales. Esta información será útil <strong>en</strong><br />
el proceso de toma de decisiones para optimizar<br />
prototipos, puesto que permite conocer y estudiar<br />
las variables que participan <strong>en</strong> un f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>o y<br />
establecer su influ<strong>en</strong>cia <strong>en</strong> un determinado diseño<br />
sin necesidad de construir el objeto bajo estudio.<br />
Pese a que las herrami<strong>en</strong>tas de <strong>simulación</strong> <strong>por</strong><br />
<strong>computador</strong> ti<strong>en</strong><strong>en</strong> una historia relativam<strong>en</strong>te<br />
reci<strong>en</strong>te, se basan <strong>en</strong> técnicas matemáticas<br />
desarrolladas tiempo atrás y que sólo pudieron ser<br />
puestas <strong>en</strong> práctica gracias a la aparición de<br />
máquinas con gran capacidad de memoria y elevada<br />
velocidad de procesami<strong>en</strong>to. Dicho <strong>en</strong> forma s<strong>en</strong>cilla,<br />
el <strong>computador</strong> resuelve una serie de ecuaciones<br />
conocidas que se utilizan para calcular las variables<br />
que describ<strong>en</strong> los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os físicos involucrados.<br />
Por ejemplo, <strong>en</strong> el campo de la Dinámica<br />
Computacional de Fluidos (CFD, <strong>por</strong> su sigla <strong>en</strong><br />
inglés) estas variables son la velocidad y la presión<br />
de la corri<strong>en</strong>te de aire (o líquido) que fluye alrededor<br />
del objeto que se estudia. <strong>La</strong>s ecuaciones empleadas<br />
para la solución de este problema fueron descubiertas<br />
hace más de 150 años <strong>por</strong> el ing<strong>en</strong>iero francés Claude<br />
Navier y el matemático irlandés George Stokes; son<br />
las ecuaciones de Navier-Stokes, así d<strong>en</strong>ominadas<br />
<strong>en</strong> su honor, que se derivan directam<strong>en</strong>te de las leyes<br />
del movimi<strong>en</strong>to de Newton (Morn y Kim, 1997).<br />
Como es concebida actualm<strong>en</strong>te, la <strong>simulación</strong> <strong>por</strong><br />
<strong>computador</strong> com<strong>en</strong>zó a mediados de los años set<strong>en</strong>ta.<br />
Durante este periodo su <strong>desarrollo</strong> y aplicación fueron<br />
liderados <strong>por</strong> los procesos de <strong>investigación</strong> <strong>en</strong><br />
ing<strong>en</strong>iería aeronáutica; <strong>en</strong> esta área del conocimi<strong>en</strong>to<br />
trabajaron los pioneros <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> y mejora de<br />
los métodos de análisis numérico.<br />
Para llevar a cabo una <strong>simulación</strong> se requier<strong>en</strong> tres<br />
compon<strong>en</strong>tes básicos. El primero es la base teórica<br />
que permite formular el problema <strong>por</strong> resolver <strong>en</strong><br />
función de modelos que permitan hacer un análisis<br />
matemático y <strong>en</strong>t<strong>en</strong>der el problema desde una<br />
perspectiva abstracta. En modelos reales, este<br />
compon<strong>en</strong>te dejará observar aspectos cuantitativos<br />
del problema pero difícilm<strong>en</strong>te, excepto <strong>en</strong> casos<br />
s<strong>en</strong>cillos, pro<strong>por</strong>cionará los resultados cualitativos<br />
que se esperan. Es <strong>por</strong> esto que las herrami<strong>en</strong>tas<br />
de cálculo numérico son de gran ayuda.<br />
El segundo compon<strong>en</strong>te son los algoritmos que<br />
facilitan desarrollar una secu<strong>en</strong>cia de pasos lógicos<br />
que serán ejecutados <strong>por</strong> el <strong>computador</strong> para la<br />
solución del modelo y el estudio más minucioso del<br />
problema. Finalm<strong>en</strong>te, el conocimi<strong>en</strong>to de l<strong>en</strong>guajes<br />
y técnicas de programación permitirá efectuar las<br />
simulaciones y, a partir de sus resultados, iniciar un<br />
proceso iterativo para perfeccionar el modelo a<br />
medida que se descubr<strong>en</strong> nuevos aspectos del<br />
problema real.<br />
El objetivo del pres<strong>en</strong>te artículo es el de ilustrar las<br />
posibilidades del método de los elem<strong>en</strong>tos finitos<br />
(MEF), como una alternativa para la solución de<br />
<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />
JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />
107
e-creaciones<br />
problemas <strong>en</strong> ci<strong>en</strong>cias e ing<strong>en</strong>iería que involucran<br />
diversos dominios físicos. En este contexto se pres<strong>en</strong>ta<br />
una descripción cualitativa acerca del MEF,<br />
junto con algunos ejemplos de aplicación <strong>en</strong> microsistemas<br />
y medicina. Igualm<strong>en</strong>te, se describ<strong>en</strong> los<br />
elem<strong>en</strong>tos básicos a t<strong>en</strong>er <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta a la hora de<br />
utilizar los métodos de cálculo numérico <strong>en</strong> la solución<br />
de problemas físicos. De otra parte, se hace<br />
una m<strong>en</strong>ción de las v<strong>en</strong>tajas y desv<strong>en</strong>tajas del MEF<br />
y, finalm<strong>en</strong>te, se dan algunas conclusiones y recom<strong>en</strong>daciones<br />
sobre el tema.<br />
2. El cálculo numérico de problemas<br />
físicos<br />
2.1 Problemas físicos y discretización<br />
Un problema a nivel físico es aquel <strong>en</strong> el cual<br />
intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> uno o varios dominios físicos, como <strong>por</strong><br />
ejemplo, el térmico, el fluídico, el mecánico o el<br />
electromagnético. <strong>La</strong> solución de este tipo de<br />
problemas se caracteriza <strong>por</strong> establecer las ecuaciones<br />
que relacionan las variables de interés y para ello se<br />
apela a principios de física e ing<strong>en</strong>iería bi<strong>en</strong> conocidos,<br />
<strong>en</strong>tre los cuales pued<strong>en</strong> m<strong>en</strong>cionarse: equilibrio,<br />
segunda ley de Newton, leyes de conservación,<br />
termodinámica y ecuaciones de Maxwell. <strong>La</strong>s<br />
dificultades que se pres<strong>en</strong>tan al formular el problema<br />
y resolver analíticam<strong>en</strong>te las ecuaciones matemáticas<br />
resultantes, normalm<strong>en</strong>te ecuaciones difer<strong>en</strong>ciales<br />
(algunas veces lineales y a m<strong>en</strong>udo parciales no<br />
lineales), son muy complejas y casi siempre imposibles<br />
de resolver. En la práctica, su solución se restringe a<br />
casos de geometrías s<strong>en</strong>cillas como cuadriláteros o<br />
esferas bajo condiciones de contorno muy simples.<br />
En vista de lo anterior, cuando el problema es muy<br />
complejo hay que recurrir a métodos numéricos para<br />
la resolución de las ecuaciones involucradas. Esta<br />
situación es típica cuando se estudian s<strong>en</strong>sores y<br />
actuadores fabricados <strong>en</strong> silicio, <strong>por</strong> ejemplo<br />
s<strong>en</strong>sores de presión o de flujo y microespejos<br />
(Walker, 2000); los anteriores son dispositivos cuya<br />
estructura conti<strong>en</strong>e múltiples compon<strong>en</strong>tes, con<br />
<strong>en</strong>capsulados complejos y la exist<strong>en</strong>cia de varios<br />
procesos físicos <strong>en</strong> un mismo dominio o distintos<br />
pero colindantes, situaciones <strong>en</strong> las cuales es<br />
necesario hacer el análisis de f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os acoplados.<br />
El problema principal del modelado de un sistema,<br />
es la cantidad de grados de libertad (GdL)<br />
requeridos para su descripción, los cuales pued<strong>en</strong><br />
conducir a tiempos de cálculo considerable. Uno<br />
de los puntos clave <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> de modelos a<br />
este nivel es saber fraccionar el sistema, establecer<br />
las condiciones de contorno y saber cómo se acoplan<br />
<strong>en</strong>tre sí; una mala elección <strong>en</strong> este proceso conducirá<br />
a un análisis erróneo (Funk, 1995). <strong>La</strong> idea final de<br />
la <strong>simulación</strong> física es obt<strong>en</strong>er, mediante de un<br />
conjunto mínimo de parámetros (GdL), la descripción<br />
más fiel posible del sistema, <strong>en</strong> la cual se reflej<strong>en</strong><br />
aspectos tan im<strong>por</strong>tantes como las no linealidades<br />
y los acoplami<strong>en</strong>tos.<br />
Lo anterior se puede conseguir <strong>por</strong> medio de la<br />
discretización, proceso <strong>en</strong> el cual se requiere del<br />
paso de un modelo continuo a uno discreto, como<br />
se ilustra <strong>en</strong> la figura 1.<br />
Figura 1. Discretización de un dominio continuo<br />
Si L se define como el operador difer<strong>en</strong>cial que<br />
describe el sistema, v como los grados de libertad<br />
que constituy<strong>en</strong> el campo, asociados a cada punto<br />
del espacio y f como las fu<strong>en</strong>tes del sistema o cargas,<br />
el modelo matemático quedará descrito de la<br />
sigui<strong>en</strong>te manera (Zi<strong>en</strong>kiewicz y Taylor, 1994):<br />
→<br />
→<br />
Lv( x) = f( x)<br />
∀x∈ Ω<br />
(1)<br />
→ →<br />
v( x) = g( x) ∀x ∈Γ c. c.<br />
de Dirichilet<br />
→<br />
Discretización<br />
1<br />
∂ v( x)<br />
→<br />
= g( x) ∀x ∈Γ2<br />
c. c.<br />
de Newmann<br />
→<br />
∂ n<br />
108 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005
e-creaciones<br />
En (1), Ω es el dominio del modelo y Γ 1<br />
y Γ 2<br />
son<br />
particiones disjuntas de la frontera del dominio;<br />
también puede definirse otro tipo de condiciones de<br />
contorno, de acuerdo con la naturaleza del<br />
problema. Dado que cada punto del espacio ti<strong>en</strong>e<br />
un conjunto de GdL, la repres<strong>en</strong>tación de este<br />
modelo conti<strong>en</strong>e infinitos GdL; de todos ellos sólo<br />
se conoc<strong>en</strong> los de las condiciones de frontera. <strong>La</strong>s<br />
fu<strong>en</strong>tes de los campos f actuarán de tal forma que<br />
se establezca un equilibrio <strong>en</strong> el sistema o condición<br />
de mínima <strong>en</strong>ergía.<br />
Los difer<strong>en</strong>tes métodos numéricos buscan reducir<br />
el número de GdL de una forma óptima, sin perder<br />
información acerca del sistema. Una idea intuitiva,<br />
aplicable a cualquier método, es que si se obti<strong>en</strong>e<br />
la solución exacta <strong>en</strong> un punto del espacio, ésta no<br />
diferirá excesivam<strong>en</strong>te de la de otro punto<br />
sufici<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te cercano; es decir, que conoci<strong>en</strong>do<br />
la solución <strong>en</strong> un número discreto de puntos del<br />
dominio, bastará con realizar una interpolación para<br />
obt<strong>en</strong>er una bu<strong>en</strong>a aproximación a la solución real.<br />
<strong>La</strong> forma como se desarrolla esta idea conduce a<br />
los difer<strong>en</strong>tes métodos numéricos exist<strong>en</strong>tes.<br />
En últimas, el objetivo es discretizar el problema,<br />
calcular la solución <strong>en</strong> los puntos donde se ha<br />
definido el dominio discreto, llamados nodos, y<br />
realizar una interpolación de dicha solución para<br />
cualquier otro punto. <strong>La</strong> interpolación se realiza <strong>en</strong><br />
un dominio definido <strong>por</strong> varios nodos vecinos y es<br />
lo que constituye el 'elem<strong>en</strong>to'. Al conjunto de nodos<br />
y elem<strong>en</strong>tos se le d<strong>en</strong>omina malla.<br />
2.2 El MEF y otros métodos de <strong>simulación</strong><br />
Uno de los métodos más populares para el cálculo<br />
numérico de ecuaciones difer<strong>en</strong>ciales e integrales<br />
es el d<strong>en</strong>ominado "método de los elem<strong>en</strong>tos finitos"<br />
(MEF), el cual se aplica a distintos dominios<br />
<strong>en</strong>ergéticos: mecánico, transfer<strong>en</strong>cia de calor,<br />
fluidos y electromagnetismo, <strong>en</strong>tre otros.<br />
Adicionalm<strong>en</strong>te, puede utilizarse <strong>en</strong> el estudio de<br />
f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os acoplados como la piezoelectricidad y<br />
los efectos termo-mecánicos (Angulo et al., 1995).<br />
Básicam<strong>en</strong>te, el método consiste <strong>en</strong> la subdivisión<br />
de un medio continuo <strong>en</strong> elem<strong>en</strong>tos discretos<br />
compuestos <strong>por</strong> nodos, es decir, <strong>por</strong> puntos a través<br />
de los cuales se un<strong>en</strong> los distintos elem<strong>en</strong>tos; su<br />
respuesta se conoce a partir de los valores<br />
pro<strong>por</strong>cionados <strong>en</strong> tales nodos. <strong>La</strong> variable física <strong>por</strong><br />
calcular se interpola <strong>en</strong> todo el volum<strong>en</strong> mediante<br />
determinadas funciones, llamadas "funciones de<br />
forma", a partir de los valores nodales. Se establece<br />
<strong>en</strong>tonces un sistema de valores nodales que equilibr<strong>en</strong><br />
todas las cargas aplicadas al dominio. <strong>La</strong> solución de<br />
este sistema permitirá determinar los valores del<br />
parámetro físico de interés <strong>en</strong> cada nodo. El MEF<br />
se puede <strong>en</strong>t<strong>en</strong>der como un método para <strong>en</strong>contrar<br />
una solución aproximada de un modelo simplificado.<br />
Comparado con otros métodos de cálculo, la v<strong>en</strong>taja<br />
principal del MEF es la g<strong>en</strong>eralidad del proceso, lo<br />
cual hace que su uso sea posible <strong>en</strong> multitud de<br />
problemas. Además, el <strong>en</strong>mallado g<strong>en</strong>erado puede<br />
ajustarse a las necesidades del problema reduci<strong>en</strong>do<br />
su d<strong>en</strong>sidad cuando no se obti<strong>en</strong><strong>en</strong> variaciones<br />
im<strong>por</strong>tantes de las variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes; de esta<br />
forma puede mejorarse la precisión del cálculo. No<br />
obstante, su gran problema son las <strong>en</strong>ormes matrices<br />
que se g<strong>en</strong>eran, incluso <strong>en</strong> geometrías no muy<br />
complejas, lo que exige un tiempo de cálculo que <strong>en</strong><br />
muchas ocasiones puede ser excesivam<strong>en</strong>te alto.<br />
En la práctica, los programas comerciales que<br />
utilizan un simulador a nivel físico basado <strong>en</strong> el<br />
método MEF son muchos; <strong>en</strong>tre ellos cabe<br />
m<strong>en</strong>cionar: ANSYS para análisis multidominio<br />
(Swanson Analysis Systems Inc.); MARC para<br />
análisis multidominio (MARC Analysis Research<br />
Cor<strong>por</strong>ation); ABAQUS para análisis mecánico<br />
(Hibbitt, Karlsson & Sor<strong>en</strong>s<strong>en</strong> Inc.); y NASTRAN<br />
para análisis mecánico (MSC. Software<br />
Cor<strong>por</strong>ation).<br />
A parte del MEF, a nivel físico exist<strong>en</strong> otros métodos<br />
de cálculo numérico tales como:<br />
l<br />
BEM ("Boundary Elem<strong>en</strong>t Meted", o Método<br />
de los Elem<strong>en</strong>tos de Frontera): <strong>en</strong> él se resuelv<strong>en</strong><br />
las ecuaciones sobre valores nodales <strong>en</strong> los<br />
<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />
JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />
109
e-creaciones<br />
l<br />
l<br />
contornos del dominio; de esta forma se reduce<br />
una dim<strong>en</strong>sión <strong>en</strong> el problema. Una v<strong>en</strong>taja es<br />
que los cambios que se efectú<strong>en</strong> <strong>en</strong> el modelo<br />
pued<strong>en</strong> hacerse de forma rápida. Sin embargo,<br />
las matrices pres<strong>en</strong>tan un alto grado de<br />
asimetría, que hace que el tiempo total de cálculo<br />
sea comparable al requerido <strong>en</strong> el método MEF<br />
(Kythe, 1995). Un ejemplo de simuladores que<br />
utilizan este método es el BEASY<br />
(Computational Mechanics Inc.), que ha sido<br />
empleado para la <strong>simulación</strong> simultánea de<br />
problemas multidominio (<strong>La</strong>hrmann, 1995).<br />
FDM (´Finite Differ<strong>en</strong>ce Method' o Método<br />
de las Difer<strong>en</strong>cias Finitas): este método discretiza<br />
las variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes y sustituye las<br />
derivadas continuas de la ecuación <strong>en</strong> derivadas<br />
parciales <strong>por</strong> expresiones que conti<strong>en</strong><strong>en</strong><br />
difer<strong>en</strong>cias de la solución <strong>en</strong> los puntos discretos<br />
del mallado (Kolev, 1997). El método es fácil de<br />
implem<strong>en</strong>tar; sin embargo, uno de sus problemas<br />
es que requiere de una discretización regular, que<br />
limita así el ajuste adecuado del <strong>en</strong>mallado e<br />
impide <strong>en</strong> muchas ocasiones obt<strong>en</strong>er la precisión<br />
deseada (Mitchell, 1985).<br />
FVM ('Finite Volume Method' o Método de los<br />
Volúm<strong>en</strong>es Finitos): este método obliga a cumplir<br />
las leyes de conservación de manera local<br />
(<strong>en</strong> cada elem<strong>en</strong>to) y global (<strong>en</strong> todo el dominio).<br />
Sin embargo, para la discretización de las<br />
variables indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tes utiliza una aproximación<br />
<strong>por</strong> difer<strong>en</strong>cias finitas, limitando la versatilidad<br />
<strong>en</strong> el <strong>en</strong>mallado de la estructura. Este<br />
método es especialm<strong>en</strong>te útil <strong>en</strong> el estudio de<br />
problemas fluídicos (S<strong>en</strong>turia, 1998).<br />
3. Algunas aplicaciones de la <strong>simulación</strong><br />
En este apartado se pres<strong>en</strong>tan algunos ejemplos que<br />
ilustran el pot<strong>en</strong>cial de los a<strong>por</strong>tes de la <strong>simulación</strong><br />
<strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> contribuir a la solución de un<br />
problema <strong>en</strong> física e ing<strong>en</strong>iería. Los problemas que<br />
se resuelv<strong>en</strong> mediante <strong>simulación</strong> compr<strong>en</strong>d<strong>en</strong> desde<br />
situaciones microscópicas hasta macroscópicas,<br />
como las ilustradas <strong>en</strong> las figuras 2 y 3. <strong>La</strong> figura 2<br />
muestra un acelerómetro torsional <strong>por</strong> efecto capacitivo<br />
fabricado <strong>en</strong> silicio, cuya estructura fue<br />
optimizada mediante de un análisis <strong>por</strong> el Método<br />
de los Elem<strong>en</strong>tos Finitos (MEF), que dio como resultado<br />
la implem<strong>en</strong>tación de agujeros <strong>en</strong> el electrodo<br />
móvil para reducir el efecto amortiguador del<br />
aire circundante.<br />
Figura 2. Acelerómetro p<strong>en</strong>dular de 1.000 µm de largo, 500<br />
mm de ancho y 10 mm de grosor. Los agujeros sirv<strong>en</strong> para<br />
reducir los efectos de amortiguación o "camping" del aire<br />
(Fernández, 2000)<br />
<strong>La</strong> figura 3 pres<strong>en</strong>ta el modelo computarizado de<br />
un fémur para el estudio, diseño e implem<strong>en</strong>tación<br />
de un implante de cadera. En este tipo de aplicaciones<br />
biomecánicas, es posible conocer la distribución<br />
de esfuerzos <strong>en</strong> el hueso y <strong>en</strong> el material de<br />
la prótesis, así como optimizar la posición del implante<br />
de manera que se pueda garantizar el éxito<br />
de la interv<strong>en</strong>ción quirúrgica.<br />
Figura 3. Modelo MEF de un fémur g<strong>en</strong>erado a partir de<br />
imág<strong>en</strong>es de tomografía computarizada (Vander Slot<strong>en</strong> et al.,<br />
1999)<br />
110 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005
e-creaciones<br />
<strong>La</strong> figura 4 pres<strong>en</strong>ta el modelo propuesto para una<br />
membrana de silicio actuada termo-ópticam<strong>en</strong>te.<br />
Vale decir que, debido a las excel<strong>en</strong>tes propiedades<br />
mecánicas del silicio (Si) y al ext<strong>en</strong>so uso de su<br />
tecnología, se han realizado muchos esfuerzos <strong>en</strong><br />
la aplicación de membranas de (Si) como actuadores<br />
<strong>en</strong> microsistemas. El principio termo-óptico es<br />
especialm<strong>en</strong>te v<strong>en</strong>tajoso <strong>en</strong> situaciones <strong>en</strong> las cuales<br />
se deb<strong>en</strong> evitar las interfer<strong>en</strong>cias eléctricas o<br />
un excesivo cal<strong>en</strong>tami<strong>en</strong>to.<br />
Figura 5. a) Distribución de la temperatura <strong>en</strong> la<br />
microestructura;<br />
Figura 4. Modelo para estudiar el principio de actuación<br />
termo-óptico. Se muestra un cuarto de la membrana y la<br />
cavidad de actuación. <strong>La</strong> fibra óptica trans<strong>por</strong>ta la <strong>en</strong>ergía<br />
luminosa requerida para efectuar el cal<strong>en</strong>tami<strong>en</strong>to del aire, el<br />
cual, a su turno, induce el increm<strong>en</strong>to de presión que causa la<br />
deflexión de la membrana. <strong>La</strong> fibra óptica está incrustada <strong>en</strong><br />
un bloque (bulk) de Si de 200 µm de grosor. <strong>La</strong> cavidad de<br />
actuación donde está <strong>en</strong>cerrado el aire es de 250 µm de alto.<br />
<strong>La</strong> membrana es cuadrada y su lado ti<strong>en</strong>e 800 µm de<br />
longitud.<br />
Figura 5. b) compon<strong>en</strong>te vertical de la deflexión extraída del<br />
análisis acoplado termo-mecánico.<br />
Para el modelado de la microestructura se escogió<br />
el programa ANSYS basado <strong>en</strong> el método de elem<strong>en</strong>tos<br />
finitos. Por las características de simetría<br />
de la estructura sólo se requiere la <strong>simulación</strong> de<br />
un cuarto del sistema; esto es sufici<strong>en</strong>te para obt<strong>en</strong>er<br />
la información completa del com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to de<br />
la membrana, con la consigui<strong>en</strong>te reducción <strong>en</strong> el<br />
tiempo de cálculo. En este caso, y debido a las particularidades<br />
del problema, se llevó a cabo un análisis<br />
acoplado termo-mecánico <strong>en</strong> tres dim<strong>en</strong>siones.<br />
Los resultados se obtuvieron considerando un haz<br />
láser con pot<strong>en</strong>cia de 10 mW.<br />
<strong>La</strong> figura 5a muestra la distribución de temperatura<br />
<strong>en</strong> la cavidad de actuación, derivada de la <strong>simulación</strong><br />
térmica estática. <strong>La</strong> temperatura más alta<br />
aparece <strong>en</strong> el punto <strong>en</strong> que el haz láser cae sobre la<br />
estructura y decrece hacia el cuerpo o bulk de Si<br />
con una variación total de 50 ºK. Los resultados del<br />
análisis térmico son usados como carga para la <strong>simulación</strong><br />
mecánica, la cual determina la distribución<br />
de deflexiones <strong>en</strong> la microestructura, como<br />
puede verse <strong>en</strong> la figura 5b. Como era de esperar-<br />
<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />
JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />
111
e-creaciones<br />
se, el punto de máxima deflexión se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tra <strong>en</strong><br />
el c<strong>en</strong>tro de la membrana (Duarte et al., 1998).<br />
4. Elem<strong>en</strong>tos requeridos para realizar una<br />
<strong>simulación</strong><br />
Exist<strong>en</strong> tres elem<strong>en</strong>tos im<strong>por</strong>tantes <strong>en</strong> la obt<strong>en</strong>ción<br />
de resultados útiles a partir de una <strong>simulación</strong>.<br />
4.1 Modelo matemático<br />
Consiste <strong>en</strong> una repres<strong>en</strong>tación idealizada de la realidad.<br />
Para su elaboración se ti<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> cu<strong>en</strong>ta el<br />
propósito final de la modelación del proceso o sistema<br />
físico, las variables conocidas acerca de él y<br />
las consideradas im<strong>por</strong>tantes. Entre los datos que<br />
deb<strong>en</strong> conocerse del modelo se <strong>en</strong>cu<strong>en</strong>tran las propiedades<br />
de los materiales, las propiedades geométricas<br />
(configuración física) y las condiciones de<br />
operación (iniciales y de contorno).<br />
Dada la complejidad de las aplicaciones reales, <strong>en</strong><br />
diversas ocasiones es necesario recurrir a la experi<strong>en</strong>cia<br />
y a la intuición para plantear un modelo<br />
reducido que, sin perder fiabilidad, se adapte a las<br />
limitaciones del sistema computacional disponible. En<br />
otras palabras, es necesario reducir el número de<br />
variables y parámetros considerados para que la solución<br />
pueda ser obt<strong>en</strong>ida <strong>en</strong> un tiempo razonable.<br />
desea emplear. Por ejemplo, para simular el funcionami<strong>en</strong>to<br />
de una planta termonuclear hará falta<br />
un super<strong>computador</strong> con la capacidad sufici<strong>en</strong>te<br />
para manejar el número de variables involucrado;<br />
<strong>por</strong> su parte, con un PC simple bastará para estudiar<br />
los <strong>en</strong>granajes de una máquina.<br />
En g<strong>en</strong>eral puede decirse que hoy día el hardware<br />
impone muy pocas restricciones a los modelos que<br />
se pued<strong>en</strong> simular; <strong>en</strong> el futuro, la próxima g<strong>en</strong>eración<br />
de <strong>computador</strong>es hará que estas limitaciones<br />
desaparezcan casi <strong>por</strong> completo.<br />
4.3 Software<br />
Anteriorm<strong>en</strong>te la programación de los modelos se<br />
llevaba a cabo <strong>en</strong> forma 'artesanal' <strong>por</strong> especialistas<br />
<strong>en</strong> el área, y existían grandes dificultades para<br />
resolver las partes críticas del diseño; el término<br />
"artesanal" hace refer<strong>en</strong>cia a que para cada problema<br />
se desarrollaba un algoritmo específico y no<br />
existía una metodología g<strong>en</strong>eral que permitiera la<br />
reutilización del código g<strong>en</strong>erado.<br />
Como se observa <strong>en</strong> la tabla 1, hoy día la g<strong>en</strong>eración<br />
del modelo es una operación que requiere muy<br />
poco tiempo y es hecha <strong>por</strong> personal que no necesariam<strong>en</strong>te<br />
es experto <strong>en</strong> modelado matemático ni<br />
<strong>en</strong> el área de aplicación.<br />
4.2 Hardware<br />
En el pasado existían grandes limitaciones <strong>en</strong> cuanto<br />
a capacidad de memoria, velocidad de proceso y<br />
flexibilidad <strong>en</strong> la programación de computación;<br />
además, incidía el costo excesivo de los equipos<br />
requeridos y la poca disponibilidad de personal calificado.<br />
Gracias avances <strong>en</strong> la microelectrónica,<br />
hoy se dispone de equipos de bajo costo que superan<br />
con creces las características de sus predecesores;<br />
asimismo, la línea que separaba a los <strong>computador</strong>es<br />
personales (PCs) de las estaciones<br />
de trabajo (workstation) y de los grandes <strong>computador</strong>es<br />
(mainframes) se hace cada vez más difusa.<br />
<strong>La</strong> capacidad de memoria y el costo de la máquina<br />
aum<strong>en</strong>tan <strong>en</strong> función del tipo de aplicación que se<br />
Tabla 1. Evolución del tiempo de <strong>desarrollo</strong> de un modelo de<br />
<strong>simulación</strong><br />
En el futuro será posible diseñar aplicaciones basadas<br />
<strong>en</strong> módulos de propósito g<strong>en</strong>eral y los paquetes<br />
de software serán mas 'intelig<strong>en</strong>tes', y ejecutarían<br />
muchas de las operaciones que hoy realiza el usuario.<br />
Igualm<strong>en</strong>te, se están desarrollando interfaces<br />
que part<strong>en</strong> de la base de la interoperabilidad; esto<br />
112 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005
e-creaciones<br />
significa que los programas de tipo CAD/CAM/<br />
CAE podrán compartir información sin problema<br />
alguno.<br />
5. V<strong>en</strong>tajas y desv<strong>en</strong>tajas de la <strong>simulación</strong><br />
Como se ha m<strong>en</strong>cionado, se hac<strong>en</strong> simulaciones<br />
<strong>por</strong> <strong>computador</strong> con el propósito de obt<strong>en</strong>er el mayor<br />
conocimi<strong>en</strong>to posible sobre un proceso o sistema,<br />
empleando un modelo matemático que reúna<br />
las principales variables que intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> él, resuelto<br />
<strong>por</strong> un <strong>computador</strong>.<br />
5.1 V<strong>en</strong>tajas<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
Permite el estudio del sistema completo, indep<strong>en</strong>di<strong>en</strong>tem<strong>en</strong>te<br />
de su complejidad, sin necesidad<br />
de disponer de los compon<strong>en</strong>tes físicos.<br />
Permite el modelado físico completo; es decir,<br />
pued<strong>en</strong> estudiarse f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os térmicos, mecánicos,<br />
electromagnéticos y fluídicos.<br />
Permite hacer el análisis de efectos acoplados,<br />
así como estudios de no linealidad.<br />
Permite realizar análisis de s<strong>en</strong>sibilidad, es decir,<br />
estudiar el efecto de pequeñas variaciones<br />
de los parámetros y propiedades de los materiales<br />
sobre el com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to del sistema.<br />
Posibilita la optimización de los parámetros de<br />
diseño y r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to del sistema, con base <strong>en</strong><br />
los criterios de diseño establecidos.<br />
Permite el estudio de variaciones probabilísticas<br />
y estadísticas del diseño.<br />
El grado de automatismo de los programas es<br />
cada día mayor, minimizando la interv<strong>en</strong>ción del<br />
usuario. Además, permite la interface con otros<br />
programas de diseño y manufactura muy difundidos<br />
<strong>en</strong> el ámbito industrial.<br />
<strong>La</strong> pres<strong>en</strong>tación gráfica de los resultados facilita<br />
bastante la compr<strong>en</strong>sión del problema y la<br />
optimización del objeto de estudio.<br />
Todo lo anterior unido al bajo costo de los programas<br />
y equipos de cómputo requeridos, convierte a<br />
las herrami<strong>en</strong>tas de <strong>simulación</strong> <strong>en</strong> elem<strong>en</strong>tos indisp<strong>en</strong>sables<br />
para la <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong> de<br />
soluciones novedosas <strong>en</strong> temáticas interdisciplinarias,<br />
<strong>en</strong> las cuales sería muy difícil trabajar de otra<br />
manera.<br />
5.2 Desv<strong>en</strong>tajas<br />
Pese a las grandes bondades de la <strong>simulación</strong>, ésta<br />
debe emplearse con precaución, dado que pres<strong>en</strong>ta<br />
limitaciones propias de la metodología <strong>en</strong> la cual<br />
está basada. Como principales desv<strong>en</strong>tajas pued<strong>en</strong><br />
citarse las sigui<strong>en</strong>tes:<br />
l<br />
l<br />
l<br />
l<br />
<strong>La</strong> solución del problema implica elaborar un<br />
modelo simplificado <strong>en</strong> el cual pued<strong>en</strong> omitirse<br />
variables y parámetros im<strong>por</strong>tantes a la hora<br />
de evaluar el com<strong>por</strong>tami<strong>en</strong>to global del<br />
sistema.<br />
El resultado de una <strong>simulación</strong> es una<br />
aproximación a la realidad, sin embargo, la<br />
verificación o 'prueba de fuego' del modelo se<br />
obt<strong>en</strong>drá al comparar sus resultados con los del<br />
sistema o proceso real.<br />
El éxito del modelo será directam<strong>en</strong>te<br />
pro<strong>por</strong>cional al grado de conocimi<strong>en</strong>to del<br />
sistema, así como de los f<strong>en</strong>óm<strong>en</strong>os que<br />
intervi<strong>en</strong><strong>en</strong> <strong>en</strong> él.<br />
Cuando la <strong>simulación</strong> no ha sido bi<strong>en</strong><br />
estructurada, puede convertirse <strong>en</strong> un proceso<br />
l<strong>en</strong>to y costoso.<br />
6. Conclusiones<br />
Para ser competitivos <strong>en</strong> cualquier área de la<br />
ci<strong>en</strong>cia y la tecnología de hoy es indisp<strong>en</strong>sable<br />
incor<strong>por</strong>ar, adoptar y adaptar las metodologías de<br />
<strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> al campo específico<br />
de trabajo, con el propósito de obt<strong>en</strong>er un mejor<br />
r<strong>en</strong>dimi<strong>en</strong>to <strong>en</strong> el <strong>desarrollo</strong> profesional. No<br />
obstante, es necesario ser cuidadosos <strong>en</strong> el uso y<br />
evaluación de los resultados de las simulaciones,<br />
pues si bi<strong>en</strong> los programas disponibles <strong>en</strong> la<br />
actualidad son bastante 'intelig<strong>en</strong>tes', también están<br />
muy lejos de ser la panacea para resolver todos<br />
los problemas que plantean los avances<br />
tecnológicos <strong>en</strong> física e ing<strong>en</strong>iería.<br />
<strong>La</strong> <strong>simulación</strong> <strong>por</strong> <strong>computador</strong> <strong>en</strong> <strong>investigación</strong> y <strong>desarrollo</strong><br />
JULIO ENRIQUE DUARTE / FLAVIO HUMBERTO FERNÁNDEZ MORALES<br />
113
e-creaciones<br />
El hecho de que la <strong>simulación</strong> sea una técnica aplicable<br />
a profesiones relacionadas con ci<strong>en</strong>cias<br />
biológicas y de la salud y <strong>en</strong> diversas áreas de la<br />
ing<strong>en</strong>iería (mecánica, eléctrica, electrónica, civil,<br />
metalúrgica, de vías y trans<strong>por</strong>tes, geológica y de<br />
petróleos <strong>en</strong>tre otras) la convierte <strong>en</strong> una im<strong>por</strong>tante<br />
temática de estudio <strong>en</strong> programas académicos<br />
de pregrado y posgrado, con excel<strong>en</strong>tes perspectivas<br />
académicas y de <strong>investigación</strong>.<br />
De otra parte, <strong>por</strong> tratarse de herrami<strong>en</strong>tas de bajo<br />
costo y gran versatilidad, se abr<strong>en</strong> grandes posibilidades<br />
de aplicación <strong>en</strong> investigaciones de primera<br />
línea, <strong>en</strong> especial <strong>en</strong> temáticas interdisciplinarias<br />
como la bioing<strong>en</strong>iería, <strong>en</strong> las cuales países<br />
como Colombia pued<strong>en</strong> competir con probabilidad<br />
de éxito.<br />
Por lo anterior, se considera que las universidades<br />
colombianas, laboratorios y c<strong>en</strong>tros de <strong>investigación</strong><br />
deb<strong>en</strong> tomar la decisión de incor<strong>por</strong>ar <strong>en</strong> sus<br />
currículos áreas temáticas relacionadas con métodos<br />
y herrami<strong>en</strong>tas para la <strong>simulación</strong> asistida <strong>por</strong><br />
<strong>computador</strong>; ello permitirá elevar la calidad <strong>en</strong> <strong>investigación</strong><br />
y <strong>desarrollo</strong> (I&D) de sus egresados y<br />
de las mismas instituciones.<br />
Refer<strong>en</strong>cias bibliográficas<br />
[1] ANGULO, T., Marco, S. y SAMITIER, J. (1995). 3D<br />
Coupled Electro-mechanical Simulations in Microstructures:<br />
Simulation and Design of Microsystems and<br />
Microstructures. En: Computational Mechanics Publications,<br />
pp. 165-174.<br />
[2] DUARTE, J. E., FERNÁNDEZ Morales, F. H., SIEI-<br />
RO, J., LESEDUARTE, S. y MORENO, M. (1998).<br />
Thermo-mechanical Modeling of a Thermo-optically<br />
Actuated Silicon Membrane. Proceedings of 4th International<br />
Workshop on Thermal investigations of ICs<br />
and Microstructures. Septiembre 27 a 29, 1998, Canes,<br />
Francia.<br />
[3] FERNÁNDEZ Morales, F. H. (2000). Mecatrónica.<br />
En: Memorias I Semana de Ing<strong>en</strong>iería Electromecánica,<br />
Paipa (Col.).<br />
[4] FUNK, J. (1995). Modelling ans Simulation of IME-<br />
MS. Tesis doctoral, ETH Zuerich.<br />
[5] HIBBITT, Karlsson & Sor<strong>en</strong>s<strong>en</strong> Inc. (2005). En: http:/<br />
/www.abaqus.com.<br />
[6] KOLEV, S. D., Ádám, M., ISTVÁN, Bársony y CO-<br />
BIANU, C. (1997). Three Dim<strong>en</strong>sional Thermal Model<br />
of a Porous Silicon Based Pellistor with Susp<strong>en</strong>ded<br />
Bridge Structure. EUROSENSORS XI (1997), pp. 965-<br />
968.<br />
[7] KYTHE, P. K. (1995). An Introduction to Boundary<br />
Elem<strong>en</strong>t Methods. CRC Press.<br />
[8] LAHRMANN, A. (1995). An Integrated Design and<br />
Simulation Tool for m-structures: Simulation and Design<br />
of Microsystems and Microstructures. Computational<br />
Mechanics Publications, pp. 219-226.<br />
[9] MARC Analysis Research Cor<strong>por</strong>ation (2005). En:<br />
http://www.mscsoftware.com<br />
[10] MITCHELL, A. R. (1985). The Finitte Differ<strong>en</strong>ce Method<br />
in Partial Differ<strong>en</strong>tial Equations. John Wiley &<br />
Sons.<br />
[11] MORN, P. y KIM, J. (1997). Simulación de turbul<strong>en</strong>cia<br />
mediante super<strong>computador</strong>es. En: Investigación y<br />
Ci<strong>en</strong>cia, Nº 246, pp. 46-51.<br />
[12] SENTURIA, S.D. (1998). CAD Chall<strong>en</strong>ges for Micros<strong>en</strong>sors,<br />
Microactuators and Microsystems. Proceedings<br />
of the IEEE, 86, pp. 1611-1626.<br />
[13] Swanson Analysis Systems Inc. (2005). En: http://<br />
www.ansys.com<br />
[14] VANDER Slot<strong>en</strong>, J. et al (1999). Computer Technology<br />
in Biomechanics Research and Hard Tissue Surgery.<br />
2 day course on New Technologies in Biomedical<br />
Engineering and Ethical Issues, EURO-BME'99, Barcelona.<br />
[15] WACHUTKA, G. (1994). Problem Ori<strong>en</strong>tated Modeling<br />
of Microtransducers: State of the Art and Future<br />
Chall<strong>en</strong>ges. S<strong>en</strong>sors and Actuators A, 41-42, 279-<br />
283.<br />
[16] WALKER, J. (2000). The Future of MEMS in Telecommunications<br />
Networks. Journal of Micromechanics<br />
and Micro<strong>en</strong>gineering, 10, R1 - R7.<br />
[17] ZIENKIEWICZ, O.C. y TAYLOR, R. L. (1994). El<br />
método de los elem<strong>en</strong>tos finitos. 4ª Ed. Mc Graw Hill,<br />
Barcelona.<br />
114 Tecnura año 8 No.16 primer semestre de 2005